Лекція

вчителя       фізики Херсонського   фізико – технічного ліцею Херсонської міської ради Грабчака Д. В.

 

Електричний струм у різних середовищах

Електричний струм в металах

На початку 20 століття була створена класична електронна теорія провідності металів, в основі якої лежать наступні положення:

1.                Метали мають кристалічну решітку, у вузлах якої знаходяться позитивні іони, а між ними рухаються вільні електрони, які називають електронами провідності. Електрони провідності поводяться подібно ідеальному одноатомному газу.

2.                При відсутності зовнішнього електричного поля електрони провідності здійснюють хаотичний рух з середньою квадратичною швидкістю, що залежить від температури (див. мал.

1).

3.                При своєму русі електрони провідності відчувають зіткнення з іонами кристалічної решітки, якими визначається їх довжина вільного пробігу  - відстань, яку проходить електрон між двома послідовними зіткненнями.

4.                Якщо метал помістити в електричне поле, то електрони рухаються упорядковано, утворюючи електричний струм (див. мал. 2).

 

Мал. 1. Рух вільних електронів    Мал. 2. Рух вільних електронів  за відсутності електричного поля:   за наявності електричного поля:

                          а – у кристалічній гратці;                                        а – у кристалічній гратці;

                   б – траєкторія руху електрона.                        б – траєкторія руху електрона.

Залежність опору металів від температури. Із збільшенням температури опір металів зростає за лінійним законом (див. мал. 3):

де R₀ – опір при 0С, α – температурний коефіцієнт опору металу, який дорівнює відносній зміні опору провідника при зміні температури на 1С.

 

Така залежність опору металевого провідника від температури                      ^{Мал. 3. Графік}

обумовлена зростанням кількості зіткнень вільних електронів з металевих провідників залежності опору йонами кристалічної решітки внаслідок збільшення амплітуди _{від температури} коливань останніх. 

Надпровідність – це явище стрибкоподібного зменшення електричного опору металів до нуля при температурах, близьких до абсолютного нуля. Відкрита у 1911 р. Камерлінг – Оннесом (див.     мал. 3).

ВАХ (вольт – амперна характеристика). Сила струму I в однорідному металевому провіднику прямо пропорційна різниці

Мал. 4. ВАХ металів

потенціалів на кінцях цього провідника і обернено пропорційна його опору R (закон Ома для однорідної ділянки кола). Тому графік залежності сили струму від напруги на кінцях провідника у цьому випадку має вигляд, запропонований на мал. 4.  

 

Електричний струм у напівпровідниках

До напівпровідників відносять речовини, які за одних умов є провідниками, а при інших - діелектриками. До напівпровідників             відносять      деякі   елементи            середньої частини таблиці Менделєєва (Ge, Si, As, I, B, і т.д.).

Напівпровідники власної провідності.

Розглянемо будову германію. Він має 4 валентних електрони, які утворюють парноелектронні ковалентні зв'язки з сусідніми атомами германію. При низьких температурах всі зв'язки є заповненими, і напівпровідник є

діелектриком. При нагріванні або опроміненні напівпровідника частина електронів набувають енергію, достатню для розриву зв'язку і вони стають вільними. На місці, де знаходився електрон, утворюється область незкомпенсованого позитивного заряду, що називається позитивною діркою. Дірка може притягти до себе сусідній електрон, таким чином змістившись в напівпровіднику.

Висновок: У напівпровіднику носіями заряду є негативні електрони і позитивні дірки.

У зовнішньому електричному полі електрони і дірки рухаються упорядковано, утворюючи електричний струм (див. мал. 5). 

З підвищенням температури кількість вільних зарядів у напівпровіднику зростає, внаслідок чого опір Мал. 6. Залежність опору напівпровідника зменшується (див. мал. 6).  напівпровідників від

                  Напівпровідники домішкової провідності.                                             температури

Даний           тип      напівпровідників    отримують   шляхом введення в напівпровідник домішки з більшою чи меншою валентністю.

Якщо впровадити в 4-х валентний напівпровідник (Ge) домішку більшої валентності (As), то 4 валентних електрони миш'яку утворюють парноелектронні ковалентні зв'язки з сусідніми атомами германію, а для п'ятого електрона зв'язку немає, і він автоматично стає вільним (див. мал. 7). Таким чином, при введенні деякої кількості домішки більшої валентності виникає велика кількість вільних електронів.

Даний вид домішок називають донорними, а напівпровідник з   ^{Мал. 7. Напівпровідники}  переважно   електронною            провідністю називають     ^{n - типу}

напівпровідником n-типу. У ньому електрони є основними носіями, а дірки – неосновними. 

А якщо в напівпровідник впровадити домішку меншої валентності, наприклад в Ge впровадити тривалентний In, то один зв'язок при цьому залишається незаповненим, тобто утворюється штучна дірка (див.  мал. 8). Такий вид домішок називають акцепторними,  а напівпровідник з переважно дірковою провідністю напівпровідником р-типу. У такому типі напівпровідника дірки є основними носіями, а електрони ^{Мал. 8. Напівпровідники} 

- неосновними.                                                                                                                 p - типу

 

p-n перехід

Електронно-дірковий перехід (або p-n перехід) - це область контакту двох напівпровідників з різними типами провідності (див. мал. 9). У напівпровіднику n-типу основними носіями вільного заряду є електрони, їх концентрація значно перевищує концентрацію дірок. У напівпровіднику p-типу основними носіями заряду є дірки. При контакті двох напівпровідників n і p-типів починається процес дифузії: дірки з p-області переходять в n-область, а електрони, навпаки, з n-області у p-область. У результаті в nобласті поблизу зони контакту зменшується концентрація електронів і виникає позитивно заряджений шар. У p-області зменшується концентрація дірок і виникає негативно заряджений шар. Таким чином, на межі напівпровідників утворюється подвійний електричний шар, поле якого перешкоджає процесу дифузії електронів і дірок назустріч один одному Таким чином, n-p-перехід має властивість односторонньої провідності.

 

Мал. 9. p – n перехід

Якщо напівпровідник з n-p-переходом підключений до джерела струму так, що позитивний полюс джерела з'єднаний з n-областю, а негативний - з p-областю, то напруженість поля в замикаючому шарі зростає. Дірки в p-області і електрони в n-області будуть зміщуватися від n-p-переходу, збільшуючи тим самим концентрації неосновних носіїв у замикаючому шарі. Струм через n-p-перехід практично не йде. Напруга, що подана на n-pперехід в цьому випадку називається оберненою. Незначний зворотний струм, який обумовлений тільки власною провідністю напівпровідникових матеріалів, тобто наявністю невеликої концентрації вільних електронів в p-області і дірок в n-області.

Якщо n-p-перехід з'єднати з джерелом так, щоб позитивний полюс джерела був з'єднаний з p-областю,     а          негативний   з          n-областю,    то напруженість електричного поля в замикаючому шарі буде зменшуватися, що полегшує перехід основних носіїв через контактний шар. Дірки з pобласті і електрони з n-області, рухаючись назустріч один одному, будуть перетинати n-pперехід, створюючи струм в прямому напрямі.

Сила струму через n-p-перехід в цьому випадку _{Мал. 10. ВАХ напівпровідників} буде зростати при збільшенні напруги джерела.  

Здатність n-p-переходу пропускати струм практично тільки в одному напрямку використовується в приладах, які називаються напівпровідниковими діодами. Напівпровідникові діоди використовуються в випрямлячах для перетворення змінного струму в постійний. Типова вольт-амперна характеристика кремнієвого діода приведена на рисунку.

            

Електричний струм у вакуумі

Вакуумом називають сильно розріджений простір. У звичайних умовах у вакуумі немає вільних електричних зарядів і для існування струму їх необхідно створити. Як показує досвід, вільні електрони при низьких температурах практично не покидають метал. Отже, на межі контакту метал-вакуум має існувати електричне поле, що перешкоджає вільному вильоту електронів.

Робота, яку повинні здійснити електрони, щоб вилетіти з поверхні металу, називається роботою виходу.

Причини виникнення роботи виходу:

1.                Якщо електрони з якої-небудь причини залишають поверхню металу, то на поверхні виникає нескомпенсований електричний заряд, який повертає електрони назад.

2.                Окремі електрони залишають метал, віддаляючись від нього на відстань порядку міжатомних і створюють над поверхнею металу електронну негативну хмару. Ця хмара спільно з зовнішнім позитивним шаром створює затримуюче електричне поле, що перешкоджає вільному вильоту електронів з поверхні металу.

Таким чином, електрони для вильоту з поверхні металу повинні подолати затримуючу різницю потенціалів, тобто здійснити роботу виходу. Робота виходу виражається в електронвольтах. 

1еВ дорівнює роботі електричного поля по переміщенню елементарного заряду між точками, різниця потенціалів між якими 1 В.

Робота виходу залежить від хімічних властивостей поверхні металів і чистоти поверхні. Якщо надати електронам у металах енергію, необхідну для здійснення роботи виходу, то частина електронів можуть покинути метал, в результаті чого спостерігається явище випускання електронів поверхнею, яке називається явищем електронної емісії. Залежно від способу надання електронам енергії розрізняють фотоелектронну емісію і термоелектронну емісію.

Термоелектронної емісією називають явище випускання електронів нагрітими поверхнями. 

Дослідження явища термоелектронної емісії можна провести за допомогою вакуумного діода - двоелектродної лампи, що представляє собою відкачаний балон, в який впаяно два електроди: К - катод і А – анод (див. мал. 11).

 

                   Мал. 11. Вакуумний діод.     Мал. 12. Умовне позначення вакуумного     діода

 

Вольт-амперна характеристика вакуумного діода при різних значеннях температури катода представлена на рисунку.

 

З вольт-амперної характеристики випливає:

1.                Залежність сили струму від напруги - нелінійна функція, тобто закон Ома в даному випадку не виконується. 

2.                При деякій напрузі струм досягає насичення. Це означає, що всі електрони, що вилетіли з катода досягають анода. Для збільшення струму насичення необхідно підвищити температуру розжарення катода, що призведе до збільшення кількості вилітаючих електронів і, отже, до збільшення струму насичення.

У зв’язку з цим графік залежності опору у вакуумному діоді від температури має вигляд, представлений на мал. 13.

Визначимо швидкість, з якою електрони підлітають до аноду. При розгоні електронів електричне поле виконує роботу:

 

З іншого боку за теоремою про кінетичну енергію:

                                                                                                         Мал. 13. Залежність опору від

                                                                                                                                 температури для вакуумного

                  Враховуючи, що  маємо:                                                                         діода

 

Електронно-променева трубка - пристрій, що перетворює електричні сигнали на світлові (див. мал. 14).

Балон трубки має циліндричну форму з розширенням у вигляді конуса. На внутрішню поверхню основи розширеної частини поміщено люмінесцентний екран - шар речовини, здатної давати світіння під впливом ударів швидко летючих електронів (див. мал. 14).

Катод призначений для створення емісії електронів (див. мал. 15). Він виконується у вигляді циліндра, усередині якого розташовується Мал. 14. Електронно – променева підігрівач у вигляді нитки розжарення. Навколо трубка катода розташовується керуючий електрод, який називають модулятором. Цей електрод служить для управління густиною електронного потоку і для його попереднього фокусування.

 

Мал. 15. Будова електронно – променевої трубки

Наступні електроди називаються анодами. На другий анод подається дуже висока напруга щодо катода, а на першому аноді напруга дещо менша. Під дією високої напруги, що подається на аноди, виникає сильне електричне поле. При включенні підігріву катода він нагрівається і починає емітувати електрони. Під дією сильного електричного поля електрони починають розганятися. Швидкість електронів зростає настільки, що вони пролітають наскрізь і продовжують рух до люмінесцируючого екрану. Розглянутий пристрій, що складається з катода, модулятора і анодів, називається електронною гарматою. Далі на шляху проходження електронного променя встановлюють дві пари відхиляючих металевих пластин, вертикальних і горизонтальних. Різниця потенціалів, що подається на дві пластини, змушує електронний промінь відхилятися убік позитивної пластини. Таким чином, дві пари відхиляючих пластин дозволяють керувати електронним променем у горизонтальній і вертикальній площині. Потрапляючи на екран, потік швидколетячих електронів викликає світіння люмінофора, і на екрані виникає світла пляма, яка може переміщатися в будь-яку точку екрану і змінювати інтенсивність його світіння.

 

Електричний струм у розчинах та розплавах електролітів

Рідини, що проводять електричний струм, називають електролітами. До них відносять розчини солей, кислот, лугів.

Електроліти             мають            іонну провідність. Іонна провідність електролітів обумовлена електролітичною             дисоціацією             -           розпадом молекул розчиненої речовини на іони під дією розчинника (див. мал. 16). Зворотній процес називається рекомбінацією. Утворені іони мають заряди, рівні за модулем, але протилежні за знаком. 

В електричному полі іони рухаються упорядковано, утворюючи електричний струм: негативні     іони    рухаються     до        позитивного електрода     (анода),          їх            називають     аніонами,     Мал. 16. Електролітична дисоціація позитивні іони            рухаються     до        негативного електрода (катода), їх називають катіонами (див. мал. 17).  

Висновок: Електричний струм в електролітах  обумовлений        спрямованим            рухом             позитивних і негативних іонів.

Протікання струму через електроліти супроводжується електролізом – процесом виділення на електродах, опущених в електроліт, складових частин розчиненої речовини. Електроліз триває до повного розчинення анода.  

Закони електролізу були експериментально

_{встановлені М.Фарадеєм.}                                                                    Мал. 17. Електричний струм в

                        1 закон. Маса речовини, яка виділяється на                               ^{електролітах}

електроді при протіканні струму, прямо пропорційна заряду, що пройшов через електроліт:

k - електрохімічний еквівалент. Фізичний зміст k: він дорівнює масі речовини, яка виділяється на електродах при протіканні через електроліт заряду 1 Кл.

 

2 закон. Електрохімічний еквівалент речовини прямо пропорційний його хімічному еквіваленту:

Хімічним      еквівалентом           називають відношення     молярної        маси   речовини,            що знаходиться в атомарному стані, до його валентності:

F - постійна Фарадея, що дорівнює добутку елементарного заряду на число Авогадро:

 

  Об'єднаний закон Фарадея:

 При збільшенні температури концентрація носіїв _{Мал. 18. Залежність опору від} струму (позитивних та негативних іонів) зростає, що _{температури для електролітів} призводить до зменшення опору електроліту (див. мал. 18).

           Вольт – амперна характеристика проходження електричного струму крізь електроліт має лінійний характер (див. мал. 19), як і в металах, але відрізняється тим, що для створення електричного струму в електроліті необхідна певна робота зовнішнього електричного          поля   –          для      подолання    внутрішнього          поля

(поляризації електроліту). 

Застосування електролізу.

1.                Електролітичне отримання алюмінію з бокситів.

2.                Отримання водню.             Мал. 19. ВАХ електролітів

3.                Електролітичне очищення металів від домішок.

4.                Гальваностегія - електролітичний спосіб покриття металів захисними поверхнями (хромування, нікелювання).

                                

5.                Гальванопластика - відтворення форми предметів в матрицях шляхом електролітичного осадження металів на поверхнях предметів.  

                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Електричний струм у газах

У природних умовах гази складаються з нейтральних атомів і молекул, тому вони є діелектриками. Для створення вільних електричних зарядів гази піддаються зовнішнім впливам (впливу зовнішнього іонізатора). При впливі іонізатора (нагрівання або опромінення) нейтральні молекули розбиваються на позитивний іон і вільний електрон. Далі електрон може возз'єднається з нейтральною молекулою, утворюючи тим самим негативний іон. Описані вище процеси називаються іонізацією газу (див. мал. 20). Разом з процесом іонізації існує і зворотний процес - рекомбінація - возз'єднання позитивного іона і вільного електрона, внаслідок чого утворюється нейтральна частинка (див. мал. 21). За наявності електричного поля іони і електрони рухаються Мал. 20. 

впорядковано, утворюючи електричний струм.                                                              Іонізація газу

Висновок. У газах електричний струм обумовлений спрямованим рухом позитивних і негативних іонів і вільних електронів.

Проходження струму через гази називається газовим розрядом.

Для виривання електрона з нейтральної молекули або атома необхідно затратити енергію, яка називається енергією іонізації. Закон збереження енергії при цьому приймає вигляд:

        Мал. 21.  де W₁ i W₂ – енергії частинки до іонізації та після. Рекомбінація газу

Енергія іонізації для даної частинки є величиною сталою, яка залежить тільки від властивостей самої частинки.

При збільшенні температури концентрація носіїв струму  у газах зростає, що призводить до зменшення опору (див. мал. 22). 

Схема для зняття вольт-амперної характеристики газового           розряду         і            безпосередньо         вольт-амперна характеристика представлені на малюнках 23 та 24:

                  Аналіз вольт-амперної характеристики:     Мал. 22. Залежність опору від ^{температури для газів}

ОА - сила струму зростає. Це означає, що збільшується кількість частинок, що долетіли до електродів, не встигнувши рекомбінувати.

АВ - зростання сили струму припиняється, тобто струм досягає насичення. Це означає,

           Мал. 23. Електрична схема для зняття ВАХ                            Мал. 24.  ВАХ для газів

що всі заряди, що створені іонізатором, досягають електродів, не встигнувши рекомбінувати. Для збільшення струму насичення необхідно підсилити дію іонізатора. При припиненні дії іонізатора струм припиняється, тому такий газовий розряд називається несамостійним.

ВС - при подальшому збільшенні напруги сила струму різко зростає, при цьому при припиненні дії іонізатора газовий розряд не припиняється, тому його називають самостійним.

Причини виникнення самостійного розряду:

1.                При великих напругах електрони, що прискорені електричним полем, набувають на довжині вільного пробігу енергію, достатню для іонізації нейтрального атома або молекули, при цьому загальна кількість вільних електронів і позитивних іонів лавиноподібно зростає (див.   мал. 25). Цей процес називається ударною іонізацією.

          Отже, , де  – зміна кінетичної     енергії            електрона            між     двома послідовними зіткненнями,  – енергія іонізації атома газу,  – потенціал іонізації атома газу.

2.                Прискорені електричним полем позитивні іони вдаряються о катод і вибивають з нього вільні електрони, які, рухаючись до анода, на своєму шляху іонізують нейтральні частинки.

3.                При значних напругах іони, що мають Мал. 25.  Ударна іонізація газу меншу довжину вільного пробігу, набувають енергію, достатню для іонізації нейтральної частинки. 

Напруга, при якому виникає самостійний розряд, називається напругою пробою.  

Залежно від тиску газу, конфігурації електричного поля, умов, за яких знаходиться газ, розрізняють наступні види самостійного газового розряду:

Тліючий	Коронний	Іскровий	Дуговий

 

Запитання до лекції:

1.        Сформулювати основні положення класичної теорії провідності металів.

2.        Запишіть формулу залежності опору металевого провідника від температури. Побудуйте за допомогою графіка цю залежність та поясніть її. У чому полягає стан надпровідності?

3.        У чому полягає власна провідність напівпровідників? Зробіть пояснювальний малюнок.

4.        Яка залежність опору напівпровідників від температури? Побудуйте за допомогою графіка цю залежність та поясніть її.

5.        Яка домішка називається донорною? Наведіть приклад. Назвіть основні носії зарядів у провідниках n – типу. Зробіть пояснювальний малюнок.

6.        Яка домішка називається акцепторною? Наведіть приклад. Назвіть основні носії зарядів у провідниках p – типу. Зробіть пояснювальний малюнок.

7.        Що таке p - n перехід? Які  особливості його утворення?

8.        Що таке напівпровідниковий діод та який принцип його роботи? Побудуйте вольт – амперну характеристику напівпровідникового діоду? 

9.        Що є носієм електричного струму у вакуумі? Що таке робота виходу? Які причини її виникнення?

10.   У чому полягає явище термоелектронної емісії?

11.   Як виглядає вольт-амперна характеристика вакуумного діода,  поясніть її.

12.   Виведіть формулу швидкості, з якою електрони підлітають до аноду у вакуумному діоді.

13.   Яка будова та принцип дії електронно-променевої трубки. 

14.   Що таке електроліти? У чому полягає явище електролітичної дисоціації? Наведіть приклади. Зробіть пояснювальний малюнок.

15.   Що являє собою електричний струм у розчинах та розплавах електролітів? Що таке електроліз?  

16.   Сформулюйте перший та другий закони Фарадея.

17.   Як опір рідин залежить від температури? Побудуйте за допомогою графіка цю залежність та поясніть її.

18.   Що таке газовий розряд? Які частинки є носієм заряду у газах?

19.   Чим відрізняються процеси іонізації і рекомбінації один від одного.

20.   Що називають енергією іонізації?

21.   Як залежить опір газу від температури? Побудуйте за допомогою графіка цю залежність та поясніть її.

22.   Чим відрізняється самостійний розряд від несамостійного? 

23.   Які причини виникнення самостійного газового розряду?

24.   Які є види самостійного газового розряду? Де вони застосовуються?

 

Домашнє завдання: узагальнити теоретичний матеріал лекції заповнюючи таблицю       

(див. Додаток).

 

 

 

ВИКОРИСТАНА ЛІТЕРАТРА:

1.      Бар’яхтар В. Г. Фізика.: Підручник для 11 класів закладів загальної середньої освіти /       В. Г. Бар’яхтар, С. О. Довгий, Ф. Я. Божинова, О. О. Кірюхіна. - Х.: Видавництво «Ранок», 2019. – 272 с.

 

2.      Засєкіна Т. М. Фізика і астрономія (профільний рівень).: Підручник для 11 класів закладів загальної середньої освіти /  Т. М. Засєкіна, Д. О. Засєкін. – К.: УОВЦ «Оріон», 2019. –  

304 с.    

 

3.      Физикон. - [Електронний ресурс]. – Режим доступу к сайту: <https://physicon.ru/search?

search=&filter= >. – Заглав. с экрана. – Язык рус.

 

 

            

Додаток

Узагальнююча таблиця «Електричний струм у різних середовищах»